CN109085001B - 一种验证tbm换刀机器人功能的试验台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种验证TBM换刀机器人功能的试验台，属于机械结构设计技术领域。针对目前主流TBM刀盘及主梁的结构形式，缩尺试验台需要能满足不同位置的滚刀位姿；同时考虑刀盘内及主梁前端内可利用的空间资源，为之后的换刀机器人提供安装接口。综合以上两方面的考虑，缩尺试验台设计为两大部分，第一部分为刀盘模拟部，主要提供不同滚刀位姿的模拟；第二部分为主梁模拟部，主要提供主梁前端的空间约束以及可供换刀机器人安装的接口。这样极大的减少了试验台的体积和重量，同时又可以较多地模拟滚刀的不同位姿，更全面的考验以后研发的机器人的空间工作能力。这种试验台为大型工程设备进行实验室级别的功能验证提供了方法借鉴。

Description

一种验证TBM换刀机器人功能的试验台

技术领域

本发明涉及一种验证全断面岩石掘进机(TBM)换刀机器人功能的试验台，属于机械结构设计技术领域。

背景技术

全断面岩石掘进机(TBM)是一种隧道掘进的专用装备，集开切削岩体、支护、输送岩渣等功能于一体。广泛应用于水利工程，铁路交通，地铁工程，油气管道及国防等隧道建设中。但其某些关键作业系统的自动化程度仍偏低，突出体现在刀盘系统中更换刀具作业还是以人工为主，自动化智能化更是无从谈及。结合国家智能制造等规划，为实现我国隧道掘进技术的不断提升，尤其是作业环境极端恶劣的智能化换刀技术亟待突破。如遇恶劣施工条件，人工更换单把滚刀耗时高达1小时，同时换刀总耗时约占整个工期的三分之一，且作业人员经常需要承受高负荷作业强度，长时间作业会对人体造成不可逆的损害，甚至出现人员伤亡等重大事故。目前，国外已有相关企业和研究院所开始集中力量进行此方面的研究，但研究成果和进展极度保密。为实现我国在此领域的专利部署，迫切需要研发一套全断面岩石掘进机换刀机器人及其配套设备。

为验证全断面岩石掘进机换刀机器人的换刀性能，本发明针对目前TBM主机的刀盘以及主梁结构特点，设计了一种模拟TBM刀盘面滚刀的不同位姿以及TBM主梁空间约束的试验台。该试验台仅利用一把滚刀模型就可模型真实刀盘中不同滚刀的位姿，大大减小了试验台的体积与重量。并给出试验台关键尺寸的设计方法和滚刀不同位姿的调整方法，从而实现验证即将开发的TBM换刀机器人的基本功能和不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便装置模拟刀盘面不同类型的滚刀，包括中心滚刀、正滚刀和边滚刀。同时给出主梁前端的空间约束。以便之后开发的TBM换刀机器人进行实验室级别的功能验证。该试验台只需两把滚刀缩尺模型，极大地减轻了试验台的重量和体积，为大型TBM相关功能在实验室验证提供了思路和可能。

本发明的技术方案：

针对目前主流TBM刀盘及主梁的结构形式，缩尺试验台需要能满足不同位置的滚刀位姿；同时考虑刀盘内及主梁前端内可利用的空间资源，为之后的换刀机器人提供安装接口。综合以上两方面的考虑，缩尺试验台设计为两大部分，第一部分为刀盘模拟部，主要提供不同滚刀位姿的模拟；第二部分为主梁模拟部，主要提供主梁前端的空间约束以及可供换刀机器人安装的接口；

Ⅰ、真实TBM刀盘及主梁结构与空间约束分析

目前真实TBM刀盘和主梁的结构形式相似，如图1所示，图1为TBM主机的纵剖视图。刀盘A-1通过法兰、主轴承等零部件与主梁A-7连接，从而实现TBM的相关功能。为清楚分析TBM刀盘与主梁前端的结构和空间约束，这里不对TBM的零部件进行过多的介绍，读者只需清楚TBM滚刀安装座A-2在刀盘A-1平面上，并呈一定规则布置，如图2所示，从图2可以看出边滚刀安装座A-8向刀盘面外偏，正滚刀A-9和中心滚刀A-10均垂直于刀盘面。

主梁前端A-7的空间结构如图1所示，主梁前端呈箱型结构。可以利用的空间如图A-5,这是由于在主梁可用空间A-5的上方会安装皮带输送机。同时换刀设备的的工作空间为A-4。在工作空间A-4内存在一些溜渣板，是刀盘内的空间约束。

Ⅱ、换刀试验台总体结构

通过步骤Ⅰ对真实TBM的刀盘和主梁结构和空间约束的分析，发明一种试验台来模拟真实TBM的刀盘和主梁空间约束，以检验之后开发的换刀机器人的功能。

本发明的一种验证TBM换刀机器人功能的试验台结构如图3、4所示，其中刀盘模拟部B-1用来模型真实TBM刀盘在工作空间的三种不同类型滚刀，即不同位姿的滚刀；主梁模拟部B-2用来模拟主梁的空间结构及其空间约束，同时提供换刀机器人的安装接口；

所述的刀盘模拟部结构如图5所示，主要由机架C-2、滚刀极角调节装置C-1和滚刀极径/俯仰角调节装置C-3组成；

机架C-2用来承受所有结构的质量，中部横梁和立柱均采用工程常用的工字钢；

滚刀极角调节装置C-1采用链轮传动方式，滚刀极角调节装置工作特点：小功率，无调速要求，要求电机断电制动，不需要长时间工作，无需频繁启动。包括保护罩E-1、滚子链E-2、链轮E-3、直联式电机减速器E-4、中心轴E-5和含刀座的中心滚刀安装座E-6；

为安全和防异物考虑，滚刀极角调节装置C-1的驱动源采用直联式电机减速器E-4；链轮E-3与滚子链E-2配合，其通过保护罩E-1保护；中心轴E-5由轴承座支撑安装在链轮E-3上，并设置对称式键槽用于传递链轮E-3传来的扭矩；中心轴E-5的末端设置法兰，用来连接包含刀座的中心滚刀安装座E-6，包含刀座的中心滚刀安装座E-6随着中心轴E-5一起旋转；滚刀极角调节装置C-1的基本运动链轮E-3为电机驱动链轮，链轮E-3带动中心轴E-5旋转，中心轴E-5通过键连接滚刀极径/俯仰角调节装置C-3，进而带动滚刀极径/俯仰角调节装置C-3旋转；

滚刀极径/俯仰角调节装置C-3中，极径调节装置采用将旋转运动变为直线运动的机构，并配以导轨副的组合式传动方式；俯仰角调节装置采用电机加减速器直驱的传动方式；滚刀极径/俯仰角调节装置C-3主要由极径驱动电机F-1、吊耳F-2、框架F-3、俯仰角驱动电机F-4、轴承座F-5、滑动板F-6、橡胶滚轮F-7、直线副滑块F-8、含刀座的正滚刀安装座F-9、滚珠丝杠螺母F-10、滚珠丝杠F-11、直线副导轨F-12及联轴器F-13组成；滚刀极径/俯仰角调节装置C-3上的各部分安装在框架F-3上，其上表面安装有中心吊耳F-2，其下表面安装有橡胶滚轮F-7；滚刀极径/俯仰角调节装置C-3的基本运动链为极径驱动电机F-1通过联轴器F-13驱动滚珠丝杠F-11，驱动滚珠丝杠F-11通过滚珠丝杠螺母F-10驱动滑动板F-6，滑动板F-6被直线副导轨F-12约束，进而实现滑动板F-6沿径向方向运动；滚刀极径/俯仰角调节装置C-3的基本运动链为俯仰角驱动电机F-4通过减速器减速增扭后，直接驱动含刀座的正滚刀安装座F-9绕滚动轴承轴座F-5轴线旋转，进而实现滚刀俯仰角调节；同时滚刀安装座在安装滚刀后，需要做动平衡，以减小俯仰角驱动电机F-4所需要的扭矩和功率。

所述的主梁模拟部用来模拟真实TBM的主梁的结构特点和空间约束，本发明通过步骤Ⅰ的分析，主梁模拟部对原始真实结构进行简化结构方案如图9和图10所示。具体方案为将主梁模拟设计为剖分式，将主梁的皮带机占用部分全部去掉，即保留主梁的下部分结构特征；

为减轻重量，对于无需承重的支撑壳体模拟件G-2采用透明轻质塑料，其结构采用圆形壳式，具体结构见图9和图10。法兰模拟件G-3的作用是将主梁模拟件G-6前端与支撑壳体模拟件G-2连接，用于承受撑壳体模拟件G-2的重量，具体结构见图9和图10；主梁模拟件G-6设计为半箱形结构，并且上端设置两排光孔作为机器人安装接口G-1；主梁立柱G-4采用工字钢，来支撑主梁模拟件G-6及机器人的重量；地脚连接组件G-5用来固定和定位主梁模拟件G-6；G-7为试验台运刀孔，用来模拟TBM更换滚刀时的运刀孔A-6；

本发明的试验台为缩尺类试验台，所有机构的尺寸均按照缩尺比例系数进行缩小设计，这里的尺寸包括结构的基本尺寸和装配尺寸，基本尺寸包括滚刀、主梁和支撑盾体的尺寸，装配尺寸包括刀盘和主梁之间的距离L,如图11。其中，

长度缩小效应为：r＝R/K；

面积缩小效应：s＝S/K²；

体积缩小效应：v＝V/K³。

式中：r为缩尺试验台长度尺寸，R为对应的真实TBM的长度尺寸，K为长度缩放的比例系数，s为缩尺试验台面积尺寸，S为对应的真实TBM的面积尺寸，v为尺试验台体积尺寸，V对应的真实TBM的体积尺寸。

通过以上的缩尺规则，进而计算缩尺试验台的负载，从而进行结构尺寸、强度和刚度的设计与校核。

本发明的有益效果：本试验台通过分析真实TBM的结构特点以及空间约束，利用一把缩尺滚刀模型来模拟正滚刀和边滚刀，同时通过滚珠丝杠等运动机构可以改变滚刀的所在位置的极径、极角以及边滚刀的俯仰角。这样极大的减少了试验台的体积和重量，同时又可以较多地模拟滚刀的不同位姿，更全面的考验以后研发的机器人的空间工作能力。这种试验台为大型工程设备进行实验室级别的功能验证提供了方法借鉴。

附图说明

图1是真实TBM纵剖视图。

图2是TBM刀盘正视图。

图3是TBM换刀试验台总体方案三维视图。

图4是TBM换刀试验台侧视图。

图5是换刀试验台刀盘模拟部三维视图。

图6是换刀试验台刀盘模拟部机架组件三维视图。

图7是换刀试验台刀盘模拟部滚刀极角调节装置三维视图。

图8是换刀试验台刀盘模拟部滚刀极径/俯仰角调节装置三维视图。

图9是换刀试验台主梁模拟部侧视图。

图10是换刀试验台主梁模拟部正视图。

图11是刀盘与主梁控制距离示意图。

图12是一种竖直位置下正滚刀状态图。

图13、14均是一种非竖直位置下正滚刀状态图。

图15、16是均是一种边滚刀状态图。

图中：A-1真实TBM刀盘；A-2真实TBM滚刀安装位置；A-3真实TBM刀盘溜渣板；A-4换刀机器人的工作空间；A-5换刀机器人可安装的空间；A-6更换滚刀时的运刀孔；A-7真实TBM主梁；A-8真实TBM边滚刀；A-9真实TBM正滚刀；A-10真实TBM中心滚刀；B-1刀盘模拟部；B-2主梁模拟部；C-1滚刀极角调节装置；C-2机架；C-3滚刀极径/俯仰角调节装置；D-1刀盘模拟部机架横梁；D-2刀盘模拟部机架立柱；D-3刀盘模拟部导轨；E-1保护罩；E-2滚子链；E-3链轮；E-4直联式电机减速器；E-5中心轴；E-6含刀座的中心滚刀安装座；F-1极径驱动电机；F-2吊耳；F-3框架；F-4俯仰角驱动电机；F-5滚动轴承轴座；F-6滑动板；F-7橡胶滚轮；F-8直线副滑块；F-9含刀座的正滚刀安装座；F-10滚珠丝杠螺母；F-11滚珠丝杠；F-12直线副导轨；F-13联轴器；G-1机器人安装接口；G-2支撑壳体模拟件；G-3法兰模拟件；G-4主梁立柱；G-5地脚连接组件；G-6主梁模拟件；G-7试验台运刀孔；L刀盘模拟部与主梁模拟部的安装距离。

具体实施方式

下面结合附图及技术方案详细说明本发明的具体实施方式，本发明的主要目的是提供一种模拟真实TBM的不同位姿的滚刀，从而检验换刀机器人的相关功能和效率。

首先换刀机器人只能安装在主梁上的机器人接口G-1,同时机器人的上部不能超出主梁的顶面，以满足基本的空间约束，也是换刀机器人能安装在真实TBM环境的基本条件。另外，机器人不管如何运动，都不能磕碰到试验台，并能越过法兰模拟件G-3。同时换刀时，滚刀的运送只能通过运刀孔G-7，其他路径均不许可。

其次是滚刀位姿的变化过程，以模拟不同滚动的位姿。在滚刀进行位姿变化时，机器人必须退回到初始安装位置，即主梁内部。下面是不同类型的滚刀的调整过程。

(1)中心滚刀的调整，中心滚刀始终在到刀盘中心，因此无需调整极径，只需控制极角调整装置C-1旋转相应的角度即可，如从附图12到附图13即完成了中心滚刀的调整过程，其他角度过程一致。

(2)正滚刀的调整，正滚刀极角的调整与中心滚刀类似，控制极角调整装置C-1旋转相应的角度，完成极角调节，变化过程从附图12到附图13。正滚刀极径的调整是通过滚珠丝杠来驱动，控制滚刀极径/俯仰角调节装置C-3中极径驱动电机F-1，使滑动板沿径向运动所需的行程，过程如附图13到附图14。

(3)边滚刀的调整，边滚刀是滚刀模型处于试验台半径最大处时的称呼，与正滚刀的区别在于边滚刀不垂直于刀盘面，即边滚刀自身存在一个俯仰角，其姿态如附图15、16。边滚刀俯仰角的调整是通过俯仰角驱动电机F-4旋转相应的角度，完成俯仰角的调整，过程从附图14到附图16。边滚刀极径调整方式与中心滚刀类似，控制极角调整装置C-1旋转相应的角度，完成极角调节，变化过程从附图15到附图16。

Claims (2)

1.一种验证TBM换刀机器人功能的试验台结构，其特征在于，包括刀盘模拟部(B-1)和主梁模拟部(B-2)；刀盘模拟部(B-1)用来模拟真实TBM刀盘在工作空间的三种不同类型滚刀，即不同位姿的滚刀；主梁模拟部(B-2)用来模拟主梁的空间结构及其空间约束，同时提供换刀机器人的安装接口；

所述的刀盘模拟部主要由机架(C-2)、滚刀极角调节装置(C-1)和滚刀极径/俯仰角调节装置(C-3)组成；

所述的机架(C-2)用来承受所有结构的质量，中部横梁和立柱均采用工程常用的工字钢；

所述的滚刀极角调节装置(C-1)采用链轮传动式，包括保护罩(E-1)、滚子链(E-2)、链轮(E-3)、直联式电机减速器(E-4)、中心轴(E-5)和包含刀座的中心滚刀安装座(E-6)；为安全和防异物考虑，滚刀极角调节装置(C-1)的驱动源采用直联式电机减速器(E-4)；链轮(E-3)与滚子链(E-2)配合，并通过保护罩(E-1)保护；中心轴(E-5)由轴承座支撑安装在链轮(E-3)上，并设置对称式键槽用于传递链轮(E-3)传来的扭矩；中心轴(E-5)的末端设置法兰，用来连接包含刀座的中心滚刀安装座(E-6)，包含刀座的中心滚刀安装座(E-6)随着中心轴(E-5)一起旋转；滚刀极角调节装置(C-1)的基本运动链为电机驱动链轮，链轮(E-3)带动中心轴(E-5)旋转，中心轴(E-5)通过键连接滚刀极径/俯仰角调节装置(C-3)，进而带动滚刀极径/俯仰角调节装置(C-3)旋转；

所述的滚刀极径/俯仰角调节装置(C-3)分为极径调节装置和俯仰角调节装置两部分，极径调节装置采用将旋转运动变为直线运动的机构，并配以导轨副的组合式传动方式；俯仰角调节装置采用电机加减速器直驱的传动方式；滚刀极径/俯仰角调节装置(C-3)主要由极径驱动电机(F-1)、吊耳(F-2)、框架(F-3)、俯仰角驱动电机(F-4)、轴承座(F-5)、滑动板(F-6)、橡胶滚轮(F-7)、直线副滑块(F-8)、含刀座的正滚刀安装座(F-9)、滚珠丝杠螺母(F-10)、滚珠丝杠(F-11)、直线副导轨(F-12)及联轴器(F-13)组成；滚刀极径/俯仰角调节装置(C-3)上的各部分安装在框架(F-3)上，其上表面安装有中心吊耳(F-2)，其下表面安装有橡胶滚轮(F-7)；滚刀极径/俯仰角调节装置(C-3)的基本运动链为极径驱动电机(F-1)通过联轴器(F-13)驱动滚珠丝杠(F-11)，驱动滚珠丝杠(F-11)通过滚珠丝杠螺母(F-10)驱动滑动板(F-6)，滑动板(F-6)被直线副导轨(F-12)约束，进而实现滑动板(F-6)沿径向方向运动；滚刀极径/俯仰角调节装置(C-3)的基本运动链为俯仰角驱动电机(F-4)通过减速器减速增扭后，直接驱动含刀座的正滚刀安装座(F-9)绕滚动轴承座( F-5) 轴线旋转，进而实现滚刀俯仰角调节；

所述的主梁模拟部包括机器人安装接口(G-1)、支撑壳体模拟件(G-2)、法兰模拟件(G-3)、主梁立柱(G-4)、地脚连接组件(G-5)、主梁模拟件(G-6)和试验台运刀孔(G-7)；

为减轻重量，对于无需承重的支撑壳体模拟件(G-2)采用透明轻质塑料，其结构采用圆形壳式；法兰模拟件(G-3)将主梁模拟件(G-6)前端与支撑壳体模拟件(G-2)连接，用于承受撑壳体模拟件(G-2)的重量；主梁模拟件(G-6)为半箱形结构，并且上端设置两排光孔作为机器人安装接口(G-1)；主梁立柱(G-4)采用工字钢，来支撑主梁模拟件(G-6)及机器人的重量；地脚连接组件(G-5)用来固定和定位主梁模拟件(G-6)；试验台运刀孔(G-7)用来模拟TBM更换滚刀时的运刀孔(A-6)。

2.根据权利要求1所述的验证TBM换刀机器人功能的试验台结构，其特征在于，

长度缩小效应为：r＝R/K；

面积缩小效应：s＝S/K²；

体积缩小效应：v＝V/K³；

式中：r为缩尺试验台长度尺寸，R为对应的真实TBM的长度尺寸，K为长度缩放的比例系数，s为缩尺试验台面积尺寸，S为对应的真实TBM的面积尺寸，v为尺试验台体积尺寸，V对应的真实TBM的体积尺寸。

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